211service.com
De kleinste laser ooit gemaakt
Onderzoekers hebben de kleinste laser ooit gedemonstreerd, bestaande uit een nanodeeltje van slechts 44 nanometer breed. Het apparaat wordt een spaser genoemd omdat het een vorm van straling genereert die oppervlakteplasmonen worden genoemd. Met deze techniek kan licht worden opgesloten in zeer kleine ruimtes, en sommige natuurkundigen geloven dat spasers de basis zouden kunnen vormen van toekomstige optische computers, net zoals transistors de basis vormen van de hedendaagse elektronica.
Kleine laser: Deze simulatie toont de intensiteit van licht rond een nieuw type laser, een spaser genaamd, wanneer deze in een plasmonproducerende modus werkt. De concentratie van plasmonen is het meest intens in de gouden bol die de kern vormt. De binnenste zwarte cirkel geeft de positie aan van de bol, die is bedekt met een in kleurstof ingebedde silicaschaal, gemarkeerd door de buitenste zwarte lijn.
Terwijl de beste consumentenelektronica werkt met snelheden van ongeveer 10 gigahertz, Mikhail Noginov , hoogleraar natuurkunde in het Center for Materials Research aan de Norfolk State University in Norfolk, VA, merkt op dat optische apparaten kunnen werken op honderden terahertz. Optische apparaten zijn echter moeilijk te miniaturiseren omdat fotonen niet kunnen worden beperkt tot gebieden die veel kleiner zijn dan de helft van hun golflengte. Maar apparaten die interageren met licht in de vorm van oppervlakteplasmonen, kunnen het op veel nauwere plekken opsluiten.
Er is momenteel een grote inspanning, meestal theoretisch, aan het ontwerpen van een nieuwe generatie nano-elektronica op basis van plasmonics, zegt Noginov. In tegenstelling tot andere eerdere plasmonische apparaten, zijn spasers een actief element dat deze golven kan produceren en versterken. Noginov leidde de ontwikkeling van de nieuwe spaser samen met Ulrich Wiesner van Cornell University en Vladimir Shalaev en Jevgenii Narimanov van de Purdue-universiteit. Het werk wordt vandaag beschreven in het tijdschrift Natuur .
De spaser gemaakt door Noginov en zijn medewerkers bestaat uit een enkel nanodeeltje met een diameter van slechts 44 nanometer, met verschillende onderdelen die functies uitvoeren die analoog zijn aan die van een conventionele laser. In een normale laser stuiteren fotonen tussen twee spiegels door een versterkingsmedium dat het licht versterkt. Het licht in een spaser kaatst rond op het oppervlak van een gouden bol in de kern van het nanodeeltje in de vorm van plasmonen.
De uitdaging, zegt Noginov, is ervoor te zorgen dat deze energie niet snel van het metalen oppervlak verdwijnt. Zijn team bereikte dit door het goud te coaten met een laag silica ingebed met kleurstof. Deze laag fungeert als een versterkingsmedium. Licht van de spaser kan opgesloten blijven als plasmonen of het kan worden gemaakt om het deeltjesoppervlak te verlaten als fotonen in het bereik van zichtbaar licht. Net als een laser moet de spaser worden gepompt om de benodigde energie te leveren. De groep van Noginov bereikt dit door het deeltje te bombarderen met lichtpulsen.
De grootte van een conventionele laser wordt bepaald door de golflengte van het licht dat hij gebruikt, en de afstand tussen de reflecterende oppervlakken mag niet kleiner zijn dan de helft van de golflengte van het licht - in het geval van zichtbaar licht, ongeveer 200 nanometer. Het mooie van de spaser is dat hij deze beperking omzeilt door plasmonen te gebruiken, zegt Noginov. Spasers zouden waarschijnlijk zo klein als één nanometer kunnen worden gemaakt. Kleiner dan dat, legt Noginov uit, en de functionaliteit van de nanodeeltjes wordt afgebroken.
Noginov en zijn medewerkers zijn niet de eersten die een nanolaser maken. In juli hebben onderzoekers onder leiding van Cun-Zheng Ning , hoogleraar elektrotechniek aan de Arizona State University, en Martin Hill van de Universiteit van Eindhoven in Nederland creëerden een nanolaser van ongeveer 100 nanometer breed, met behulp van verschillende materialen. Ning en Hill's nanolaser was de eerste die de golflengtebeperkingen op de grootte van lasers overwon. Het vandaag gepubliceerde werk is echter het eerste voorbeeld van een spaser.
De spaser werkt ongeveer duizend keer sneller dan de snelste transistor, terwijl hij dezelfde grootte op nanoschaal heeft, zegt Mark Stockman , hoogleraar natuurkunde aan de Georgia State University. Dit opent de mogelijkheid om ultrasnelle versterkers, logische elementen en microprocessors te bouwen die ongeveer duizend keer sneller werken dan conventionele op silicium gebaseerde microprocessors.
Stockman voorspelde de phaser in 2003 met David Bergman , hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Tel Aviv in Israël. Het maken van de spaser, zegt Bergman, is een prachtig staaltje werk.
Spasers zullen hun eerste toepassing waarschijnlijk niet vinden in optische computers, maar op plaatsen waar tegenwoordig conventionele lasers worden gebruikt, zegt Noginov. Inderdaad, een toepassing op kortere termijn is in de magnetische gegevensopslagindustrie, zegt: Sakhrat Khizroev , hoogleraar elektrotechniek aan de Universiteit van Californië, Riverside, die ook nanolasers ontwikkelt. De magnetische gegevensopslagmedia die voor de huidige harde schijven worden gebruikt, bereiken hun fysieke grenzen; een manier om de mogelijkheden uit te breiden is om de media te verwarmen met zeer kleine lichtvlekjes tijdens het opnemen, wat zou kunnen worden gedaan met nanolasers, zegt Khizroev. De onderzoekers waarschuwen echter dat alle toepassingen waarschijnlijk nog jaren verwijderd zijn.